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Company Logo Company Logo 第一章 磁共振基本原理 原子核的自旋、磁矩及进动 Contents 1 磁共振基本概念 2 弛豫过程及弛豫时间 3 磁共振信号及化学位移 4  磁共振是研究具有磁矩的原子核在静磁场中与电磁辐射相互作用的一门学科。近代物理学是用量子力学原理对物质中微观粒子的相互作用过程作正确阐述，但就物质的宏观效应来说，利用经典力学和电磁学理论可以得到满意解答。 第一节 原子核的自旋与磁矩 原子由原子核及核外电子组成，电子以特定轨迹围绕原子核旋转，原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成，核中的质子数又称为该元素的原子序数，用Z表示，中子数用N表示，原子核几乎代表了整个原子的质量，把中子数与质子数之和Z+N称核的质量数，用A表示，一般用符号表示某种元素。 原子核的自旋 原子核的质子数和中子数均为偶数，该原子核的自旋量子数I为零，则该核没有自旋。 若质子数和中子数中有一个是奇数，另一个为偶数，则这种核的自旋量子数I为半整数，该原子核具有自旋。 质子数是奇数，中子数也是奇数的原子核，其自旋量子数I为正整数，这种核也具有自旋。 原子核的磁矩 电荷运动产生磁场，则具有自旋特性的原子核周围必然存在一个微观磁场，该磁场为一个磁偶极子，即原子核的自旋磁矩（简称核磁矩）。 原子核的自旋磁矩 原子核种类 自旋量子数I 磁矩μ (以μN为单位) 磁旋比 （103/G·S） 磁旋比 （MHz/T） ? 2.79270 26.753 42.562 ? 0.70216 6.728 10.704 3 0.40357 1.934 3.077 1/2 1.1305 10.840 17.248 3/2 2.2161 7.081 11.264 第二节 原子核自旋磁矩在静磁场中进动 核磁矩μ在静磁场B0作用下一方面绕着B0方向作园周运动，另一方面绕自身轴转动，把原子核的这种运动形式称为Larmor进动，其进动频率称为Larmor频率。核磁矩在静磁场中的进动: Larmor频率为原子核的 进动 频率，氢原子核在1.0T磁场中的Larmor频率是 42.58MHz 。 核磁矩的能级跃迁 E2 E1 ω0? W mI=+1/2 mI=-1/2 E2 E1 W ω0? mI=+1/2 mI=-1/2 原子核系产生磁共振的条件 自旋核磁距在静磁场中受到特定射频脉冲激励; 该射频脉冲频率与原子核进动频率相同且其方向与静磁场方向垂直。 第四节 核磁共振的宏观描述 在外加静磁场B0中原子核系的磁化强度称为静磁化强度，通常用M0表示。静磁化强度M0与B0成正比，其比值用X0表示， X0称为静磁化率（Curie磁化率），它表明了原子核在外磁场中的磁化效果。 原子核系的静磁化率 磁 化 率 物质的磁化强度除来源于原子核自旋磁矩外，更主要来源于原子核外层电子的分布，由于电子的角动量远大于原子核，原子核外层未成对电子越多，则其自旋角动量越大，产生的磁化强度越大，因此磁化率越大，反之亦然。若原子核外层无未成对电子，则磁化率为负值，物质为抗磁性，大多数有机物都属抗磁性物质。 能量吸收 B? M0=x M0=y ?? “?“RF 脉冲 ???0 磁共振吸收的宏观描述 射频脉冲的持续时间和强度使M转动的角度为θ，称该脉冲为θ角射频脉冲，如果M正好转到XY平面上，则称该脉冲为90°脉冲，如果θ=180°，则称为180°脉冲。 射频脉冲角度 第五节 弛豫过程及弛豫时间 把原子核系的磁化强度M从射频脉冲停止的非平衡状态恢复到平衡状态的过程称为弛豫过程，这是一个释放能量的过程。 弛豫时Mz、Mxy变化是同时进行的两个过程，分别称为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫是Mz从射频脉冲停止后的最小值恢复到平衡状态M0的过程，横向弛豫是Mxy从射频脉冲停止后的初始值降到零的过程。。 弛豫过程 横向弛豫 纵向弛豫 37% 63% T2 T1 M0 M0 MZ MXY t t 弛豫时间 原子核系统的弛豫过程是一个释放能量的过程，必然伴随着能量交换。受激自旋核与周围物质交换能量主要有两种形式：核自旋与周围物质进行热交换，最后达到平衡，这个过程叫做自旋—晶格弛豫过程；同类自旋核之间能量的交换，称做自旋—自旋弛豫过程。 纵向弛豫时间 自旋——晶格弛豫时间T1 纵向弛豫过程是由于原子核系与其周围的环境（晶格）相互作用交换能量所致，把T1或纵向弛豫时间称为自旋——晶格弛豫时间，它是表征纵向磁化向量恢复到平衡状态快慢的特征量，通常T1值定义为纵向磁